Nature封面：8天做完688个实验，每天工作21.5小时，实验机器人展现超强战斗力
The following article is from 环球科学 Author 吴非
为了做（an）好（shi）科（bi）研（ye），许多研究生每天大多数时间都泡在实验室里。相比于 996 的上班族，不少自嘲为“科研民工”的研究生的工作时间也毫不逊色。但如果你只是缺乏创造力、按部就班地在实验室“搬砖”（尤其是学化学的），现在，你可能有麻烦了。
在最新一期《自然》杂志的封面文章中，利物浦大学的科学家利用一款机器人“化学家”，设计出了效率更高的光催化剂。这个机器人不仅干活利索、操作速度远超人类，就连勤奋度你也赢不过它——每天除了充电的 2.5 个小时，机器人可以全天候工作。不过不用过分担心——只要你有好的科学想法，机器人再快也抢不走你的饭碗。
撰文 | 吴非
借助机器人完成化学实验，已经并不是第一次见诸报端了。人工智能正在帮助科学家预测化合物性质、研发新药物。与此同时，一些机器人也在实验操作中崭露头角。不过，它们与其说是科学家，不如说只是实验室中的工具“人”——安装了特定硬件设备，可以按照指令完成实验的某个步骤，仅此而已。那么，利物浦大学安德鲁·库珀（Andrew Cooper）团队开发的这款实验室机器人，有什么不同呢？
这款机器人身高 1.75 米，但它的体重足足有 400 千克。除了本身的材料更重之外，机器人还有一个巨大的立方体底座，不仅装载了机器人的“大脑”，还让它能够在实验室的不同工作台之间自由移动。
机器人移动时依靠的不是视觉系统，而是将激光扫描与触觉反馈相结合，从而完成定位。因此，即使在黑暗的环境中，它也能自由移动、顺利完成实验。这样的好处可不仅是在夜晚压榨机器人时可以省下电费，还有助于完成一些需要黑暗环境的光敏反应。
图片来源：安德鲁·库珀
脚下灵活的机器人，手头上的操作能力更是胜过人类操作员。从给固体试剂称重、配制液体试剂、抽出容器中的空气、启动催化反应再到计量反应产物，这台机器人可以独立完成一项化学实验中的全部操作流程。在库珀的化学实验室中，机器人每天的工作时长为 21.5 个小时。而剩下的 2.5 小时呢，不是机器人不想干，而是它必须得停下来充会电了。
机器人在实验室中的一天
寻找高效催化剂
在这篇《自然》论文中，机器人的任务是提升将水分解成氢气（即析氢反应）的反应效率。当然，机器人并不是从零开始尝试，化学家已经找到了一些有着不错效果的光催化剂。而机器人的工作，是通过改变实验条件进一步提升其催化效果。
在这项研究中，机器人的目标是一种被称作 P10 的共轭有机聚合物。之前的研究已经发现，P10 在空穴捕获剂存在时，对析氢反应有着不错的催化效果。（光催化剂在光的激发下，产生空穴和电子。而空穴捕获剂可以消耗空穴，防止空穴与电子结合，从而提升了催化反应效率。）
机器人的第一项工作是从 30 款候选空穴捕获剂中，找到了最具潜力的一个——L-半胱氨酸。为了进一步提升析氢反应的效率，研究人员提出了 5 套候选方案：
1. 通过染料增强对光的吸收能力；
2. 添加氢氧化钠，从而改变溶液 pH 值；
3. 加入氯化钠，增加离子强度；
4. 通过表面活性剂改变催化剂的润湿性；
5. 加入二硅酸钠，因为研究人员认为二硅酸钠有可能提升 L-半胱氨酸的效果。
尽管提出了这些假设，但要从这些变量中筛选出有用的选项，并且找到最佳用量，需要花费研究人员大量时间。这时，就轮到机器人发挥实力了。
8 天完成实验
为了通过实验筛选出效率最高的反应条件，机器人需要同时改变 3 种染料、氢氧化钠浓度、氯化钠浓度、两种表面活性剂以及二硅酸钠浓度。再加上 P10 和 L-半胱氨酸的浓度，机器人需要同时对 10 个维度进行思考。
要遍历完所有组合，需要进行 9800 万次操作，这显然不切实际。为此，研究人员为机器人开发了一套算法。通过贝叶斯优化，机器人可以在实验过程中根据前一轮实验的结果，自主选择接下来的实验参数。这样的设置显著提升了搜索效率。
机器人通过最初的 22 次摸索很快发现，加入氯化钠可以小幅提升析氢反应的效率。而在大约 150 次实验，也就是经过两天的尝试之后，机器人排除了 3 种染料以及两种表面活性剂。
最终，机器人找到了让析氢反应达到最高效率的实验条件：在 5 毫升的水中，加入 5 毫克 P10、6 毫克氢氧化钠、200 毫克 L-半胱氨酸和 7.5 毫克二硅酸钠。在这样的条件下，光催化剂的活性提升了 5 倍。
为了实现这一目标，机器人付出了多少努力呢？花费 8 天时间，工作 172 小时；移动了 319 次，移动总距离 2.17 千米；进行了 6500 项操作，实施了 43 批、共 688 次实验。
论文指出，人类科学家要达到这一目标，需要进行数月的尝试。一个鲜明的对比是，操作人员完成一次实验需要半天时间，而机器人的速度是人类手工操作的 1000 倍。
手速惊人的机器人“化学家”
机器人：团队新成员
在这项特定的研究中，相比于人类，机器人“化学家”展现出诸多优势。除了速度上的巨大优势，机器人不会像人类一样产生确认性偏差，并且犯错的几率也较低。这项研究中负责编程的利物浦大学博士生本杰明· 伯格（Benjamin Burger）表示，最大的挑战是让系统具有鲁棒性。一旦做到这一点，机器人在工作中犯错的几率将远低于人类。并且由于实验室有摄像头监控，一旦出错，研究人员也可以远程重启。
另外值得一提的是，研究人员几乎不需要为机器人特地改造实验室。在这项研究中，除了为该试验流程而搭建的光解台，其他工作台都没有经过改造——也就是说，人类科学家使用的仪器设备，机器人可以直接拿来使用。
论文还认为，机器人的能力还能得到进一步提升。这项研究中，它同时处理 10 个维度的信息，而通过修改算法，可以让机器人同时在 20 个维度上进行思考。
不过，现在可以说机器人“化学家”超越人类了吗？相信你已经注意到，虽然实验操作过程是机器人加以思考，并且独立自主完成的，但设计出这一课题、提出 5 套候选方案以及候选化学试剂的，都是人类化学家。因此，虽然机器人能够对实验过程进行独到的思考，但这样的科学思想，是机器人尚未具备的能力。
在领导这项研究的库珀看来，研发这款机器人的目的不是取代化学家，而是让实验自动化。这些机器人将成为研究团队的一员，它们高效完成实验工作，从而让人类研究者拥有更多时间进行创造性思考。
原始论文：
A mobile robotic chemist
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2442-2
本文转载自公众号“环球科学”
（ID:huanqiukexue）
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